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1、雷达系统仿真与性能评估,张娟jzhangxidian.edu88202580,9/24/2022,1,雷达系统仿真与张娟9/24/20221,教材：Radar Systems Analysis and Design Using MATLAB,9/24/2022,2,教材：Radar Systems Analysis a,第一章：系统仿真技术第二章：雷达发射机建模与仿真第三章：雷达天线建模与仿真第四章：雷达接收机建模与仿真第五章：雷达回波建模与仿真第六章：雷达信号处理建模与仿真第七章：雷达数据处理建模与仿真第八章：雷达系统建模与性能评估,本课程内容安排,9/24/2022,3,第一章：系统仿真技
2、术本课程内容安排9/24/20223,第一章：系统仿真技术,1.1系统仿真技术,1.2 雷达系统建模仿真技术,系统仿真的概念 系统仿真的分类 系统仿真的应用,雷达系统功能级仿真 雷达系统信号级仿真 雷达系统分布式仿真 雷达系统半实物仿真 仿真软件平台的选择 雷达系统建模,9/24/2022,4,第一章：系统仿真技术1.1系统仿真技术 1.2 雷达系统,雷达(radar Radio Detection and ranging)；就是利用无线电的方法来探测目标并测定目标在空间中的位置；雷达的任务就是测量目标的距离、方位和仰角，还包括目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。,9/24/2
3、022,5,雷达(radar Radio Detection and,9/24/2022,6,9/24/20226,1.2 雷达系统建模仿真技术,雷达系统仿真：雷达系统仿真就是在计算机上重现整个雷达系统和其动态工作过程，并调整参数反复运行，使系统性能最优。,经济性：系统仿真模型是数学模型，不涉及实物，实验成本低，同时通过反复仿真和修改模型和模型参数，可以在系统设计之前，对系统的性能有充分的了解，可以缩短研制周期。灵活性：通过计算机软件可以方便地对雷达系统的参数、工作场景、电磁环境进行控制，根据需要进行改变，可以确定系统的最佳工作状态。可重复性：实际环境往往是随机因素众多和非常复杂。系统的性能一
4、般不能严格地按照设计要求在现场得到全面的鉴定与评价，因为很多条件是难以满足的。但系统仿真方法则能考虑各种因素，并能不断地重复。可继承性：由于采用模块化、图形化设计，建立的子模型或单元模型可以被其他系统使用,9/24/2022,7,1.2 雷达系统建模仿真技术 雷达系统仿真：经济性：系统,在现代复杂电子战条件下,电磁威胁环境日益复杂,干扰技术非常丰富和多样化，相应的雷达系统工作体制和抗干扰措施日益增多,对雷达系统研究与设计日趋复杂。,对新算法和新的分系统设计进行测试和验证，对系统的各项性能进行评估。,优化设计雷达的工作方式、系统参数、雷达的部署和配置。,缩短整个系统的研制周期，降低研制耗费,外场
5、模拟：模拟环境单一，耗资巨大，试验次数有限，实验结果不全面，造成试验周期长和巨大浪费。,利用计算机仿真技术的可控制性、可重复性、无破坏性、安全性、经济性等特点与优势，对雷达进行仿真与效能评估，是当前和未来雷达与电子对抗领域研究中的一种重要手段。,9/24/2022,8,在现代复杂电子战条件下,电磁威胁环境日益复杂,干扰技术非常丰,9/24/2022,9,9/24/20229,9/24/2022,10,9/24/202210,雷达系统仿真方法分类,(1)功能级仿真,(2)信号级仿真,(3)分布式交互仿真,(4)半实物仿真,9/24/2022,11,雷达系统仿真方法分类(1)功能级仿真(2)信号级
6、仿真(3),从发射信号功率及各种环境回波（包括杂波、干扰、多径、噪声）的功率的角度出发，考虑雷达信号处理各个环节上的增益，计算不同场景和工作方式下雷达的检测概率、探测距离、威力范围、测量精度等性能指标，从而对雷达的系统参数进行优化，并由此对系统做出分析和判断。,1.2.1 雷达系统功能级仿真,9/24/2022,12,从发射信号功率及各种环境回波（包括杂波、干扰、多径、噪声）,功能级仿真的基础是雷达距离方程 雷达接收信号包括目标回波信号、干扰、杂波、噪声等。信号干扰噪声比，是对有干扰情况下发现目标能力好坏的一种量度。,9/24/2022,13,功能级仿真的基础是雷达距离方程9/24/20221
7、3,功能级仿真步骤：,（2）分析各种干扰和抗干扰手段对雷达探测性能的影响，对干扰和抗干扰能力做出初步的评估计算；（3）对不同场景下的雷达探测过程进行功能仿真试验。,（1）在各种干扰/抗干扰条件下，运用雷达方程、干扰方程以及干扰/抗干扰基本原理建立仿真计算综合信噪比的数学模型。,9/24/2022,14,功能级仿真步骤：（2）分析各种干扰和抗干扰手段对雷达探测性,功能级仿真主要数学模型,1）雷达回波信号功率,9/24/2022,15,功能级仿真主要数学模型 1）雷达回波信号功率 9/24/20,2）噪声功率 接收机噪声服从均值为零的正态分布,方差为,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,1
8、6,2）噪声功率 功能级仿真主要数学模型 9/24/202216,3）干扰 有源干扰按载体方式的不同可分为掩护式和自卫式两种，按照工作方式的不同可分为阻塞式和瞄准式。,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,17,3）干扰 功能级仿真主要数学模型 9/24/202217,4）杂波 地杂波和海杂波一般视为“面”杂波，气象杂波、箔条云等一般视为体杂波。a面杂波功率,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,18,4）杂波 功能级仿真主要数学模型 9/24/202218,b体杂波功率雷达截面雷达分辨单元的体积单位体积内的微粒的平均总后向散射截面,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,19
9、,b体杂波功率功能级仿真主要数学模型 9/24/202219,5）几种抗干扰措施的考虑 a脉冲压缩 理想情况下，脉压滤波器能使输出信噪比改善D倍，D为脉压比。实际中，为了降低脉压后输出脉冲的副瓣电平，必须对匹配滤波器的幅频特性进行适当的加权。一般而言，因加权使信噪比损失1.2-1.4dB，故一般取脉压改善因子为0.8D。,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,20,5）几种抗干扰措施的考虑 功能级仿真主要数学模型 9/24/,b脉冲积累改善因子 c旁瓣对消干扰对消比,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,21,b脉冲积累改善因子 功能级仿真主要数学模型 9/24/20,d采用捷变频
10、抗干扰措施 雷达接收天线接收到的干扰功率应当乘以一个系数X才是有效的干扰功率。,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,22,d采用捷变频抗干扰措施功能级仿真主要数学模型 9/24/2,综合信噪比实际应用中，一般用Monto Carlo方法求综合信噪比的均值作为最后结果。,功能级仿真主要数学模型,9/24/2022,23,综合信噪比功能级仿真主要数学模型 9/24/202223,功能级仿真优点,根据雷达距离方程，干扰方程，从功率角度来计算发现概率和虚警概率，仿真速度比较快，提高仿真的实时性。适合系统整体性能的仿真评估。,9/24/2022,24,功能级仿真优点 根据雷达距离方程，干扰方程，
11、从功率角度来计算,功能仿真缺点和局限性,（1）对于一个复杂的雷达环境（例如，假设干扰信号是高斯噪声与对数正态噪声的混合），无法描述输出信号的统计特性。（2）使用范围局限。不适合欺骗式干扰、合成孔径雷达、自适应处理等仿真，以及对分系统的精确仿真。（3）功能仿真只能仿真点目标。,忽略具体的波形，所以不能用来查看仿真系统中各个不同节点上的信号。缺点：,9/24/2022,25,功能仿真缺点和局限性（1）对于一个复杂的雷达环境（例如，假设,1.2.2 雷达系统信号级仿真,利用高速的数字仿真手段，逼真地复现雷达系统中信号的动态处理过程。信号级仿真在仿真过程中既包括信号的幅度信息，又包括相位信息。与功能仿
12、真不同，相干信号仿真要仿真信号的发射、传播、目标回波、杂波与干扰叠加接收滤波、抗干扰、信号处理、数据处理这一全过程。对雷达信号系统进行数字仿真，首先必须了解雷达系统的工作过程，并将工作过程抽象为数学模型。抽象数学模型是一个复杂的过程，其中往往包括大量艰深的数学工作，而有些模型则要依据具体系统的一些敏感的经验数据来建立。,9/24/2022,26,1.2.2 雷达系统信号级仿真 利用高速的数字仿真手段，逼真,发射信号,9/24/2022,27,发射信号9/24/202227,目标回波信号,9/24/2022,28,目标回波信号9/24/202228,脉冲压缩之后的信号,9/24/2022,29,
13、脉冲压缩之后的信号9/24/202229,雷达信号级仿真的特点,优点:(1)能够精确反映仿真系统各个节点的波 形，适合单个模块或分系统的测试、评估。(2)仿真结果更精确，可信度更强。缺点：仿真数据量大，仿真速度慢。,9/24/2022,30,雷达信号级仿真的特点优点:(1)能够精确反映仿真系统各个节,1.2.3 雷达系统的分布式仿真,仿真是一个建模-实验-分析-修改模型-再实验-分析不断反复的过程，它涉及到好几个功能软件，如建模软件，实验设计软件，仿真执行软件，结果分析软件等，各功能软件之间存在着信息联系，为了提高仿真效率，必须将它们集成起来(或称为一体化)。,9/24/2022,31,1.2
14、.3 雷达系统的分布式仿真仿真是一个建模-实验-分析-,分布式交互仿真（DIS）是指采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网或广域网，将分散在各地的仿真设备互联，形成可参与的综合性仿真环境。HLA 是分布式交互仿真的高层体系结构，它的基本思想就是采用面向对象的方法来设计、开发和实现仿真系统的对象模型（OM），以获得仿真联邦高层次的互操作和重用。,9/24/2022,32,分布式交互仿真（DIS）是指采用协调一致的结构、标准、协议和,多个软件联合仿真,联合仿真：提高软件的开放性，能够方便地与国外先进的软件相接，充分吸收国外现有软件的优点，综合他们的优势，构建集成的仿真平台,9/24/2
15、022,33,多个软件联合仿真 联合仿真：提高软件的开放性，能够方便地,不同功能软件通过一个管理软件利用数据转换接口实现一体化。重新划分功能块，建立模型库、参数库、实验框架库，然后通过数据库实现一体化。在仿真操作系统的支持下，实验对仿真关联资源的有效管理，并支持这些资源的匹配与运行，实现整个仿真软件系统的高度一体化,9/24/2022,34,不同功能软件通过一个管理软件利用数据转换接口实现一体化。9/,分布式仿真的过程,对模型库中基本模型或子模型进行拼接形成系统模型由实验框架库中取出实验框架形成模型/框架对：它规定了一次具体的仿真实验通过实验运行系统，调用规定的算法对这个模型/框架进行仿真实验
16、，从而产生实验数据，它被存入实验数据库中根据实验框架库中的规定对实验数据进行分析，并将分析结果存入实验数据库中。,9/24/2022,35,分布式仿真的过程对模型库中基本模型或子模型进行拼接形成系统模,具有交互操作性强,易于扩充节点加入仿真系统,进行仿真训练灵活性强等特点。,基于HLA的雷达系统分布式仿真,HLA是按照面向对象的思想和方法来构建仿真系统的，它在面向对象分析与设计的基础上划分仿真成员，定义对象类和交互类，确定时间管理方式，最后构建整个仿真系统。,HLA规则(HLA Rules)HLA接口规范HLA Interface Specification)HLA对象模型模板(OMT,Obj
17、ect Model Template)联邦运行支撑环境(RTI)。,9/24/2022,36,具有交互操作性强,易于扩充节点加入仿真系统,进行仿真训练灵活,9/24/2022,37,9/24/202237,机器2：回波处理,机器1：回波产生,9/24/2022,38,机器2：回波处理机器1：回波产生9/24/202238,飞机飞行二维显示：,飞机飞行三维显示,基于HLA平台的视景仿真,9/24/2022,39,飞机飞行二维显示：飞机飞行三维显示基于HLA平台的视景仿真9,1.2.3 雷达系统的半实物仿真,半实物仿真是指在仿真试验系统的仿真回路中接入部分实物的仿真。半实物仿真的准确含义是：Har
18、dware In the Loop Simulation(HWILS)，即硬件在回路中的仿真。在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，以取代相应部分的数学模型，这样更接近实际情况，从而得到更确切的信息。,9/24/2022,40,1.2.3 雷达系统的半实物仿真半实物仿真是指在仿真试验系统,将半实物仿真技术应用于雷达仿真技术中，不仅能够解决雷达系统全数字仿真不够准确模拟实际情况和全实物仿真花费高、测试周期长的缺点，又具有全数字仿真简单方便和全实物仿真真实性强的优点。,9/24/2022,41,将半实物仿真技术应用于雷达仿真技术中，不仅能够解决雷达系统全,半实物仿真系统一般由以下几部分组成
19、(1)环境模拟系统；(2)仿真计算机系统；(3)被测试实物；(4)各种接口设备；(5)显示控制设备。,9/24/2022,42,半实物仿真系统一般由以下几部分组成 9/24/202242,9/24/2022,43,9/24/202243,构建的雷达信号处理机半实物仿真系统由矢量信号发生器、仿真计算机、被测雷达信号处理机组成。,雷达信号处理机半实物仿真系统的组成,9/24/2022,44,构建的雷达信号处理机半实物仿真系统由矢量信号发生器、,软件部分是雷达信号处理机半实物仿真系统的一个重要组成部分，系统通过MATLAB、VC仿真软件，完成雷达目标与环境的数学建模和计算机仿真。MATLAB负责雷达
20、回波信号的建模与仿真，VC负责雷达环境软件的界面编制，通过局域网络或GPIB总线将仿真数据导入矢量信号发生器，信号源产生真实的模拟信号送给雷达接收机。,9/24/2022,45,软件部分是雷达信号处理机半实物仿真系统的一个,雷达目标环境的模拟,雷达目标环境模拟系统,雷达目标环境模拟软件负责产生雷达半实物仿真系统中所需要环境回波信号。,9/24/2022,46,雷达目标环境的模拟雷达目标环境模拟系统 雷达目标环境模拟软件,1.2.4 仿真软件平台的选择,独立开发一套完整的雷达系统建模、仿真和设计的一体化仿真环境优点：软件独立，成本低，易于推广缺点：它需要一大批既精通软件专业，又精通雷达专业的技术
21、人员，花上很长的时间和很多的精力在现有的一体化仿真环境开发优点：软件的功能完善并提供丰富的库，避免将雷达专业人员投入到并不擅长的软件工程中去,而不能专注于雷达本身的研究，缩短研究周期，节约资金和人力,9/24/2022,47,1.2.4 仿真软件平台的选择 独立开发一套完整的雷达系统建,建立雷达仿真模型库的目的,雷达系统设计的复杂度与日俱增生产一部雷达，耗资大、周期长、要求更新更快实现雷达环境更复杂，难以预测因素多，实验难度大雷达技术不断发展,1.2.5 雷达仿真模型库,9/24/2022,48,建立雷达仿真模型库的目的雷达系统设计的复杂度与日俱增1.2.,雷达仿真模型库的功能,在统一框架下实
22、现雷达系统建模、仿真和设计，提供一套相对完整的雷达系统建模、仿真和设计的基本软件和数据库，从而将系统设计人员从繁重的手工编程工作中解脱出来，为系统总体论证提供有力手段，同时，达到优化系统设计，提高效率，缩短研制周期的目的。,9/24/2022,49,雷达仿真模型库的功能 在统一框架下实现雷达系统建模、仿真,对雷达模型库的要求,为了保证雷达库的可靠性，库中的每一个模块都经过严格测试检验；为了便于使用，具有友好的人机界面，对库中的每一个模块都有详细的说明；为了用户不断补充更新，雷达库具有良好的软件框架结构和统一的软件编写规范；,模块化、图形化、层次化,9/24/2022,50,对雷达模型库的要求为了保证雷达库的可靠性，库中的每一个模块都,9/24/2022,51,9/24/202251,雷达、目标、环境建模、仿真模型库,9/24/2022,52,雷达、目标、环境建模、仿真模型库9/24/202252,1.3 本章小结,了解系统仿真学科的相关知识，为引入雷达系统仿真与性能评估奠定基础。雷达系统仿真的定义和优点；雷达系统功能级仿真 雷达系统信号级仿真 雷达系统分布式仿真 雷达系统半实物仿真 雷达系统建模,9/24/2022,53,1.3 本章小结 了解系统仿真学科的相关知识，为引入雷达系统,
